40CrNiMo车床主轴热处理工艺设计

攀枝花学院本科学生课程设计任务书

题 目 1、课程设计的目的 使学生了解、设计40CrNiMo车床主轴热处理生产工艺，主要目的：①了解40CrNiMo合金钢的性能。②学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和装夹具设计等。③进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。④培养学生综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。 40CrNiMo车床主轴热处理工艺设计 2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等） 内容：进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。根据零件的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择热处理设备，设计或选定装夹具，作出热处理工艺卡。最后，写出设计说明书，说明书中要求对各热处理工序的工艺参数的选择依据和各热处理后的显微组织作出说明。 要求：①分析生产加工及热处理过程中可能出现的缺陷，针对这些缺陷提出预防措施或补救措施。 ②提交设计说明书（或设计报告），3～5千字，提交设计说明书。 3、主要参考文献 [1] 林约利.简明金属热处理工手册[M].上海：上海科学技术出版社，2003：266-273． [2] 崔忠圻,覃耀春．金属学与热处理［M］．北京：机械工业出版社,2007：345-347. [3] 中国机械工程学会热处理学会．热处理手册第二卷［M］.北京：机械工业出版社，2003：345-354． 4、课程设计工作进度计划 十六周初步设计 指导教师（签字） 教研室意见： 年 月 日 学生（签字）： 接受任务时间： 年 月 日 注：任务书由指导教师填写。

日期 年 月 日

课程设计（论文）指导教师成绩评定表

题目名称 评分项目 工作 表现 20% 01 02 03 04 05 06 07 08 学习态度 科学实践、调研 课题工作量 综合运用知识的能力 应用文献的能力 设计（实验）能力，方案的设计能力 计算及计算机应用能力 对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力） 插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度 设计说明书（论文）质量 创新 分值 6 7 7 10 5 5 5 10 得分 评价内涵 遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。 通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。 按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。 能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。 能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。 能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。 具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。 具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。 能力 水平 35% 成果 质量 45% 09 10 11 5 30 10 符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。 综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。 对前人工作有改进或突破，或有独特见解。 成绩 指导教师评语 指导教师签名： 年 月 日

摘 要

本课程设计了40CrNiMo车床主轴的热处理工艺设计。车窗主轴是传递动力的零件，需要承受弯曲、扭转、冲击载荷等力的作用。并且在局部地方还要受到摩擦力的作用。所以在主轴钢材的选取上应选择具有高强度、高硬度、韧性好、变形小的钢材。40CrNiMo有高的强度、韧性和良好的淬透性和抗过热的稳定性。所以对车床主轴的设计使用40CrNiMo钢是比较好的选择。但40CrNiMo钢也有一些缺点，白点敏感性高，有回火脆性。焊接性较差，焊前需经高温预热，焊后需消除应力，经调质后使用。所以在热处理时，应特别注意。对40CrNiMo的热处理大致如下，先对其进行正火，加热到正火温度，保温一段时间空冷；在调质，加热到淬火温度，保温一段时间出炉油冷到室温；最后，按照回火温度进行两次回火。

关键词：40CrNiMo、车床主轴、正火、淬火、回火。

目 录

摘 要............................................................................................................................... ? 1、设计任务........................................................................................................................3

1.1设计任务................................................................................................................3 1.2设计的技术要求....................................................................................................3 2、设计方案........................................................................................................................3

2.140CrNiMo车床主轴设计的分析............................................................................3

2.1.1工作条件.....................................................................................................3 2.1.2失效形式.....................................................................................................3 2.1.3性能要求.....................................................................................................3 2.2钢种材料................................................................................................................4 3、设计说明........................................................................................................................5

3.1加工工艺流程........................................................................................................5 3.2具体热处理工艺....................................................................................................6

3.2.1锻造工艺.....................................................................................................6 3.2.2 预备热处理工艺........................................................................................6 3.2.3淬火+低温回火热处理工艺.......................................................................7

4、分析与讨论....................................................................................................................9 5、结束语..........................................................................................................................10 6、热处理工艺卡片..........................................................................................................11 参 考 文 献......................................................................................................................12

1、设计任务

1.1设计任务

40CrNiMo车床主轴热处理工艺。

1.2设计的技术要求

冷作模具用钢是用以制造各种使金属在常温下变形的模具用钢。冷作模具在工艺过程中要承受很大的压力、弯曲力、冲击及摩擦，而且，冷变形加工后的零件一般不再加工或很少加工．因而模具要求有较高的尺寸精度。冷作模具的正常报废一般是刃口的磨损．也有因冲击而断裂、崩刃和变形超差而提前报废。因此，冷作模具用钢应具有高的硬度、高的耐磨性、足够的强度和韧性、热处理变形小以及较高的淬透性。

2、设计方案

2.1 40CrNiMo车床主轴设计的分析

2.1.1工作条件

a．承受摩擦与磨损

机床主轴的某些部位承受着不同程度的摩擦，特别是轴颈部位，因为轴颈与某些轴承配合时，摩擦较大，所以部位应具有较高的硬度及增强耐磨性。但是某些部位的轴颈与滚动轴承相配合摩擦不大，所以就不需要太大的硬度。

b工作时承受载荷

机床主轴在高速运转时要承受多种重载荷作用，如弯曲、扭转、冲击等。所以要求主轴具有抵抗各种载荷的能力。当主轴载荷较大转速又高时。主轴还承受着很高的交变功，因此要求主轴具有较高的疲劳强度和综合力学性能。

2.1.2失效形式

长期交变载荷作用易导致疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）；承受大载荷或冲击载荷会引起过量变形、断裂，长期承受较大摩擦，轴颈及花键表面会出现过量磨损。

轴类零件在试样过程中受到载荷情况相当复杂的，因而其损坏样式也是多种多样的，常见的轴类失效形式有疲闹断裂、过量变形和过量磨损。

2.1.3性能要求

① 疲劳断裂的分析

疲劳断裂是机械零件在循环变应力作用下，将会出现的疲劳断裂。所有机械零件在工作过程中的实效疲劳断裂与断裂失效的50%~90%时，疲劳断裂一般会发生突然，危害性大，疲劳断裂是发生在零件的局部应力区，某些晶粒在变应力的作用下形成微裂纹，随着循环数的增加，裂纹继续扩展，导致最终疲劳断裂。针对疲劳断裂的特点，可以采用各种强化方法来提高零件的抗疲劳能力。减少零件上各种会引起应力集中的缺陷，提高零件的抗疲劳能力，在金属材料中，特别是钢和钛合金的疲劳强度最高。

②磨损失效的分析

磨损是相互接触的零件间存在相互滑动时，接触表面会因发生摩擦损耗而引起形状变化的现象，它是一种可以看到的，渐发生的破坏形式，主要有磨粒磨损和黏着磨损。磨粒磨损是由于相对运动的物体接触时，滑动表面高低不平，凸出

的硬质点将轴的接触面刨出沟槽或划伤而产生的破坏。常见的磨粒磨损有：与切削、磨削加工类似的和有高强度、高硬度的磨粒进入两个接触面梨出沟槽。黏着磨损是在两个相对运动的物体直接接触中，由于接触应力很高而引起塑性变形，导致物体接触，温度升高并发生粘着、焊合现象，分离时粘合处撕开，从而将小块料撕去，造成表面的损伤。提高耐磨性，一是要材料有高硬度，若材料中存在耐磨硬颗粒更有利。二是材料具有小的摩擦系数，降低配对材料间的原子结合力，此外，改善润滑条件，细化表面粗糙度，使机械零件保持清洁等，均有利于减少磨损。

③变形失效分析

变形失效主要有弹性变形和塑形变形

弹性变形失效是零件因过量弹性变形的原因产生的失效。主要是指失去弹性的能力，属于功能失效。引起弹性变形的原因是零件刚度不够，除结构因素外，还取决于材料的弹性模量，因此，要预防弹性变形失效，因选择弹性模量高的材料来制作零件。

塑形变形失效是零件因过量塑形变形产生的失效，主要由于应力过大造成的。零件产生塑形变形，是由于实际工作应力超过了这种材料的屈服强度。再设计装配使用正常情况下，应考虑选用高屈服强度材料。

④主轴的性能特点

经过对疲劳断裂、过量变形和过量磨损的分析，主轴应有较高的回转精度及足够的刚度和良好的抗振性能、屈服强度、抗疲劳能力和高耐磨性。

2.2钢种材料

40CrNiMo有高的强度、韧性和良好的淬透性和抗过热的稳定性。但40CrNiMo钢也有一些缺点，白点敏感性高，有回火脆性。焊接性较差，焊前需经高温预热，焊后需消除应力，经调质后使用。所以我们选择40CrNiMo钢来进行车床主轴的设计

3、设计说明

3.1加工工艺流程

40CrNiMo车床主轴的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的工艺流程:

下料→锻造→正火→粗加工→调制热处理→半精加工→表面淬火+低温回火→粗磨→低温人工时效→精磨检验→成品。

40CrNiMo钢成分[5见表3.1。

表3.1 A 的化学成分(质量分数，%)

C Si 7

Mn 0.50~0.80

Cr 0.60~0.90

Mo 0.15~0.25

p <0.035

0.37~0.44 0.17~0.3成分分析：

高的含碳量可保证形成大量的合金碳化物，淬火加热时，一部分融入奥氏体中，提高其稳定性，同时也使马氏体中的合金元素含量增加，保证其硬度；而未溶的碳化物则起细化晶粒、提高韧性的作用．并提高钢的耐磨性。

Cr是主要的合金元素，它使钢的淬透性大大增加，提高其回火稳定性，并产生二次硬化现象。铬与碳形成高硬度的碳化物，加热时未溶的碳化物可细化晶粒、提高钢的耐磨性的作用。

Mo的作用是增加钢的淬透性并细化晶粒。

3.2具体热处理工艺

3.2.1 预备热处理工艺

正火在840℃~870℃的温度下进行工艺曲线如3-1图所示，由于该温度是钢的重结晶过程，可以细化晶粒组织，消除应力和降低硬度提高切削加工性能，并得到一定的力学性能，可以代替调质热处理作为最后热处理或称为感应加热表面淬火前的预备热处理。正火的保温时间按每毫秒1.0~1.5min计算。但在实际产

条件下。往往是根据经验确定保温后出炉在空气中冷却。

3.2.2 预备调质热处理

图3-1 正火工艺曲线 40CrNiMo钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，其价格低，来源广泛，它的最大的弱点是淬透性低，截面尺寸和要求比较高的工件不宜采用。

40CrNiMo钢淬火温度在实际操作中，一般都是取上限的偏高的淬火温度可以让工件加热速度加快表面氧化较少，且能提高功效，为使工件的奥氏体均匀化，就要足够的保温时间，如果实际装炉量大，就需适当延长保温时间。不然可能会出现因加热不均匀，造成硬度不足的现象，但保温时间过长，也会出现晶粒粗大，氧化脱碳严重的弊病，影响淬火质量，我们认为，如果装炉量大于工艺文件的规定加热保温时间延长1/5。

40CrNiMo钢导热性良好，淬火时不需要预热面直接放入炉内加热，加热温度820~860℃，温度高低的选择，视工件具体情况确定，比如重要工件要求，变形严格的选用下限温度，而较大工件调质时，为提高淬透深度和心部性能，选用840~860℃的温度等，工件到温即随即出炉淬火冷却，不需保温，即所谓零保温，

这是工厂普遍采用的方法。

图3-2 淬火工艺曲线

3.2.3表面淬火+低温回火热处理工艺

①表面淬火热处理工艺

淬火加热规范决定了奥氏体的实际晶粒度及碳化和合金元素的固溶度．对马氏体的形态及回火的性能(硬度、强度、塑性、回火稳定性、淬火回火时的体积变形)都有显著的影响。当加热到Ac1温度(约810℃)以上时。原始组织索氏体和碳化物转变为奥氏体和碳化物。随着加热温度升高，合金碳化物继续向奥氏体中溶解．增加了奥氏体中C和Cr的浓度，淬火马氏体的硬度增加，其耐磨性也越强，冲击韧度逐渐升高。

40CrNiMo钢推荐的回火规范如表3.3 [10]。

表3.3 40CrNiMo淬火规范表

方案

第一次预第二次预热

淬火温度/℃

/℃ 热/℃

随后

950~1000 1020~1040 1020~1040 1115~1130 1115~1130

冷 却 油 油 熔融硝盐 油 熔融硝盐

硬度 （HRC） 20~60 20~60 400~550 20~60 400~450

介质 介质温度 介质中冷却 Ⅰ Ⅱ

Ⅲ 550~660 840~860 Ⅳ Ⅴ 至室温 空冷 58~62 至油温 空冷 62~63 5~10min 空冷 62~63 至油温 空冷 42~50 5~10min 空冷 42~50

表3.4淬火状态的组织比例

淬火方案 Ⅰ、Ⅱ

冷却 油、硝盐

碳化物/%

12

马氏体/% 73~68

奥氏体/% 20~23

注：

1.方案Ⅱ、Ⅲ用于要求获得很高的力学性能及变形较小的工件，如螺纹滚子、搓丝板、形状复杂受冲击负荷的模具等；

2.方案Ⅳ、Ⅴ用于要求获得红硬性及耐磨性的工件，但力学性能较差，尺寸变形较大，如450℃以下工作的热冲模等；

(2) A回火热处理工艺

40CrNiMo钢目的是充分消除热处理的残留应力。调整组织和硬度。淬火后形成的马氏体属于高碳富铬的过饱和间隙固溶体，处于不稳定状态，回火时分解，析出碳化物，转变为回火马氏体，使材料基体组织硬度降低。残留奥氏体在回火过程中会分解，析出显微碳化物，在一定程度上弥补了马氏体回火转变造成的硬度降低。淬火后钢的硬度会随回火温度的变化呈现先降低后增加的趋势。 40CrNiMo钢推荐的回火规范如表3.5 [10]。

表3.5 40CrNiMo回火规范表

淬火温度 /℃

回 火

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